01基本概念
貪心算法是指在對問題求解時(shí),總是做出在當(dāng)前看來是最好的選擇。也就是說,不從整體最優(yōu)上加以考慮,只做出在某種意義上的局部最優(yōu)解。貪心算法不是對所有問題都能得到整體最優(yōu)解,關(guān)鍵是貪心策略的選擇,選擇的貪心策略必須具備無后效性,即某個(gè)狀態(tài)以前的過程不會影響以后的狀態(tài),只與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)。
貪心算法沒有固定的算法框架,算法設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是貪心策略的選擇。必須注意的是,貪心算法不是對所有問題都能得到整體最優(yōu)解,選擇的貪心策略必須具備無后效性(即某個(gè)狀態(tài)以后的過程不會影響以前的狀態(tài),只與當(dāng)前狀態(tài)有關(guān)。)
所以,對所采用的貪心策略一定要仔細(xì)分析其是否滿足無后效性。
02貪心算法的基本思路
解題的一般步驟是:
1.建立數(shù)學(xué)模型來描述問題;
2.把求解的問題分成若干個(gè)子問題;
3.對每一子問題求解,得到子問題的局部最優(yōu)解;
4.把子問題的局部最優(yōu)解合成原來問題的一個(gè)解。
03該算法存在的問題
不能保證求得的最后解是最佳的
不能用來求最大值或最小值的問題
只能求滿足某些約束條件的可行解的范圍
04貪心算法適用的問題
貪心策略適用的前提是:局部最優(yōu)策略能導(dǎo)致產(chǎn)生全局最優(yōu)解。
實(shí)際上,貪心算法適用的情況很少。一般對一個(gè)問題分析是否適用于貪心算法,可以先選擇該問題下的幾個(gè)實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,就可以做出判斷。
05貪心選擇性質(zhì)
所謂貪心選擇性質(zhì)是指所求問題的整體最優(yōu)解可以通過一系列局部最優(yōu)的選擇,換句話說,當(dāng)考慮做何種選擇的時(shí)候,我們只考慮對當(dāng)前問題最佳的選擇而不考慮子問題的結(jié)果。這是貪心算法可行的第一個(gè)基本要素。貪心算法以迭代的方式作出相繼的貪心選擇,每作一次貪心選擇就將所求問題簡化為規(guī)模更小的子問題。對于一個(gè)具體問題,要確定它是否具有貪心選擇性質(zhì),必須證明每一步所作的貪心選擇最終導(dǎo)致問題的整體最優(yōu)解。
當(dāng)一個(gè)問題的最優(yōu)解包含其子問題的最優(yōu)解時(shí),稱此問題具有最優(yōu)子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。問題的最優(yōu)子結(jié)構(gòu)性質(zhì)是該問題可用貪心算法求解的關(guān)鍵特征。
06貪心算法的實(shí)現(xiàn)框架
從問題的某一初始解出發(fā):
?
while (朝給定總目標(biāo)前進(jìn)一步) { 利用可行的決策,求出可行解的一個(gè)解元素。 }
?
由所有解元素組合成問題的一個(gè)可行解;
07例題分析
如果大家比較了解動態(tài)規(guī)劃,就會發(fā)現(xiàn)它們之間的相似之處。最優(yōu)解問題大部分都可以拆分成一個(gè)個(gè)的子問題,把解空間的遍歷視作對子問題樹的遍歷,則以某種形式對樹整個(gè)的遍歷一遍就可以求出最優(yōu)解,大部分情況下這是不可行的。貪心算法和動態(tài)規(guī)劃本質(zhì)上是對子問題樹的一種修剪,兩種算法要求問題都具有的一個(gè)性質(zhì)就是子問題最優(yōu)性(組成最優(yōu)解的每一個(gè)子問題的解,對于這個(gè)子問題本身肯定也是最優(yōu)的)。動態(tài)規(guī)劃方法代表了這一類問題的一般解法,我們自底向上構(gòu)造子問題的解,對每一個(gè)子樹的根,求出下面每一個(gè)葉子的值,并且以其中的最優(yōu)值作為自身的值,其它的值舍棄。而貪心算法是動態(tài)規(guī)劃方法的一個(gè)特例,可以證明每一個(gè)子樹的根的值不取決于下面葉子的值,而只取決于當(dāng)前問題的狀況。換句話說,不需要知道一個(gè)節(jié)點(diǎn)所有子樹的情況,就可以求出這個(gè)節(jié)點(diǎn)的值。由于貪心算法的這個(gè)特性,它對解空間樹的遍歷不需要自底向上,而只需要自根開始,選擇最優(yōu)的路,一直走到底就可以了。
話不多說,我們來看幾個(gè)具體的例子慢慢理解它:
1.活動選擇問題
這是《算法導(dǎo)論》上的例子,也是一個(gè)非常經(jīng)典的問題。有n個(gè)需要在同一天使用同一個(gè)教室的活動a1,a2,…,an,教室同一時(shí)刻只能由一個(gè)活動使用。每個(gè)活動ai都有一個(gè)開始時(shí)間si和結(jié)束時(shí)間fi 。一旦被選擇后,活動ai就占據(jù)半開時(shí)間區(qū)間[si,fi)。如果[si,fi]和[sj,fj]互不重疊,ai和aj兩個(gè)活動就可以被安排在這一天。該問題就是要安排這些活動使得盡量多的活動能不沖突的舉行。例如下圖所示的活動集合S,其中各項(xiàng)活動按照結(jié)束時(shí)間單調(diào)遞增排序。
考慮使用貪心算法的解法。為了方便,我們用不同顏色的線條代表每個(gè)活動,線條的長度就是活動所占據(jù)的時(shí)間段,藍(lán)色的線條表示我們已經(jīng)選擇的活動;紅色的線條表示我們沒有選擇的活動。
如果我們每次都選擇開始時(shí)間最早的活動,不能得到最優(yōu)解:
如果我們每次都選擇持續(xù)時(shí)間最短的活動,不能得到最優(yōu)解:
可以用數(shù)學(xué)歸納法證明,我們的貪心策略應(yīng)該是每次選取結(jié)束時(shí)間最早的活動。直觀上也很好理解,按這種方法選擇相容活動為未安排活動留下盡可能多的時(shí)間。這也是把各項(xiàng)活動按照結(jié)束時(shí)間單調(diào)遞增排序的原因。
C語言知識匯總
#include#include #include using namespace std; int N; struct Act { int start; int end; }act[100010]; bool cmp(Act a,Act b) { return a.end =act[i].end) { i=j; num++; } } return num; } int main() { int t; scanf("%d",&t); while(t--) { scanf("%d",&N); for(int i=1;i<=N;i++) { scanf("%lld %lld",&act[i].start,&act[i].end); } act[0].start=-1; act[0].end=-1; sort(act+1,act+N+1,cmp); int res=greedy_activity_selector(); cout<
2.錢幣找零問題
這個(gè)問題在我們的日常生活中就更加普遍了。假設(shè)1元、2元、5元、10元、20元、50元、100元的紙幣分別有c0, c1, c2, c3, c4, c5, c6張。現(xiàn)在要用這些錢來支付K元,至少要用多少張紙幣?用貪心算法的思想,很顯然,每一步盡可能用面值大的紙幣即可。在日常生活中我們自然而然也是這么做的。在程序中已經(jīng)事先將Value按照從小到大的順序排好。
?#include#include using namespace std; const int N=7; int Count[N]={3,0,2,1,0,3,5}; int Value[N]={1,2,5,10,20,50,100}; int solve(int money) { int num=0; for(int i=N-1;i>=0;i--) { int c=min(money/Value[i],Count[i]); money=money-c*Value[i]; num+=c; } if(money>0) num=-1; return num; } int main() { int money; cin>>money; int res=solve(money); if(res!=-1) cout<
3.再論背包問題
在從零開始學(xué)動態(tài)規(guī)劃中我們已經(jīng)談過三種最基本的背包問題:零一背包,部分背包,完全背包。很容易證明,背包問題不能使用貪心算法。然而我們考慮這樣一種背包問題:在選擇物品i裝入背包時(shí),可以選擇物品的一部分,而不一定要全部裝入背包。這時(shí)便可以使用貪心算法求解了。計(jì)算每種物品的單位重量價(jià)值作為貪心選擇的依據(jù)指標(biāo),選擇單位重量價(jià)值最高的物品,將盡可能多的該物品裝入背包,依此策略一直地進(jìn)行下去,直到背包裝滿為止。在零一背包問題中貪心選擇之所以不能得到最優(yōu)解原因是貪心選擇無法保證最終能將背包裝滿,部分閑置的背包空間使每公斤背包空間的價(jià)值降低了。在程序中已經(jīng)事先將單位重量價(jià)值按照從大到小的順序排好。
?????#include??? using namespace std; const int N=4; void knapsack(float M,float v[],float w[],float x[]); int main() { float M=50; //背包所能容納的重量 float w[]={0,10,30,20,5}; //每種物品的重量 float v[]={0,200,400,100,10}; //每種物品的價(jià)值 float x[N+1]={0}; //記錄結(jié)果的數(shù)組 knapsack(M,v,w,x); cout<<"選擇裝下的物品比例:"< M) break; x[i]=1; M-=w[i]; } //物品部分被裝下 if(i<=N) x[i]=M/w[i]; }
4.多機(jī)調(diào)度問題
n個(gè)作業(yè)組成的作業(yè)集,可由m臺相同機(jī)器加工處理。要求給出一種作業(yè)調(diào)度方案,使所給的n個(gè)作業(yè)在盡可能短的時(shí)間內(nèi)由m臺機(jī)器加工處理完成。作業(yè)不能拆分成更小的子作業(yè);每個(gè)作業(yè)均可在任何一臺機(jī)器上加工處理。這個(gè)問題是NP完全問題,還沒有有效的解法(求最優(yōu)解),但是可以用貪心選擇策略設(shè)計(jì)出較好的近似算法(求次優(yōu)解)。當(dāng)n<=m時(shí),只要將作業(yè)時(shí)間區(qū)間分配給作業(yè)即可;當(dāng)n>m時(shí),首先將n個(gè)作業(yè)從大到小排序,然后依此順序?qū)⒆鳂I(yè)分配給空閑的處理機(jī)。也就是說從剩下的作業(yè)中,選擇需要處理時(shí)間最長的,然后依次選擇處理時(shí)間次長的,直到所有的作業(yè)全部處理完畢,或者機(jī)器不能再處理其他作業(yè)為止。如果我們每次是將需要處理時(shí)間最短的作業(yè)分配給空閑的機(jī)器,那么可能就會出現(xiàn)其它所有作業(yè)都處理完了只剩所需時(shí)間最長的作業(yè)在處理的情況,這樣勢必效率較低。在下面的代碼中沒有討論n和m的大小關(guān)系,把這兩種情況合二為一了。
?#include#include using namespace std; int speed[10010]; int mintime[110]; bool cmp( const int &x,const int &y) { return x>y; } int main() { int n,m; memset(speed,0,sizeof(speed)); memset(mintime,0,sizeof(mintime)); cin>>n>>m; for(int i=0;i >speed[i]; sort(speed,speed+n,cmp); for(int i=0;i
5.小船過河問題
POJ1700是一道經(jīng)典的貪心算法例題。題目大意是只有一艘船,能乘2人,船的運(yùn)行速度為2人中較慢一人的速度,過去后還需一個(gè)人把船劃回來,問把n個(gè)人運(yùn)到對岸,最少需要多久。先將所有人過河所需的時(shí)間按照升序排序,我們考慮把單獨(dú)過河所需要時(shí)間最多的兩個(gè)旅行者送到對岸去,有兩種方式:
1.最快的和次快的過河,然后最快的將船劃回來;次慢的和最慢的過河,然后次快的將船劃回來,所需時(shí)間為:t[0]+2*t[1]+t[n-1];
2.最快的和最慢的過河,然后最快的將船劃回來,最快的和次慢的過河,然后最快的將船劃回來,所需時(shí)間為:2*t[0]+t[n-2]+t[n-1]。
算一下就知道,除此之外的其它情況用的時(shí)間一定更多。每次都運(yùn)送耗時(shí)最長的兩人而不影響其它人,問題具有貪心子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)。
AC代碼:
?#include#include using namespace std; int main() { int a[1000],t,n,sum; scanf("%d",&t); while(t--) { scanf("%d",&n); sum=0; for(int i=0;i 3) { sum=min(sum+a[1]+a[0]+a[n-1]+a[1],sum+a[n-1]+a[0]+a[n-2]+a[0]); n-=2; } if(n==3) sum+=a[0]+a[1]+a[2]; else if(n==2) sum+=a[1]; else sum+=a[0]; printf("%d ",sum); } }
6.區(qū)間覆蓋問題
POJ1328是一道經(jīng)典的貪心算法例題。題目大意是假設(shè)海岸線是一條無限延伸的直線。陸地在海岸線的一側(cè),而海洋在另一側(cè)。每一個(gè)小的島嶼是海洋上的一個(gè)點(diǎn)。雷達(dá)坐落于海岸線上,只能覆蓋d距離,所以如果小島能夠被覆蓋到的話,它們之間的距離最多為d。題目要求計(jì)算出能夠覆蓋給出的所有島嶼的最少雷達(dá)數(shù)目。對于每個(gè)小島,我們可以計(jì)算出一個(gè)雷達(dá)所在位置的區(qū)間。
問題轉(zhuǎn)化為如何用盡可能少的點(diǎn)覆蓋這些區(qū)間。先將所有區(qū)間按照左端點(diǎn)大小排序,初始時(shí)需要一個(gè)點(diǎn)。如果兩個(gè)區(qū)間相交而不重合,我們什么都不需要做;如果一個(gè)區(qū)間完全包含于另外一個(gè)區(qū)間,我們需要更新區(qū)間的右端點(diǎn);如果兩個(gè)區(qū)間不相交,我們需要增加點(diǎn)并更新右端點(diǎn)。
AC代碼:
?#include#include #include using namespace std; struct Point { double x; double y; }point[1000]; int cmp(const void *a, const void *b) { return (*(Point *)a).x>(*(Point *)b).x?1:-1; } int main() { int n,d; int num=1; while(cin>>n>>d) { int counting=1; if(n==0&&d==0) break; for(int i=0;i >x>>y; if(y>d) { counting=-1; } double t=sqrt(d*d-y*y); //轉(zhuǎn)化為最少區(qū)間的問題 point[i].x=x-t; //區(qū)間左端點(diǎn) point[i].y=x+t; //區(qū)間右端點(diǎn) } if(counting!=-1) { qsort(point,n,sizeof(point[0]),cmp); //按區(qū)間左端點(diǎn)排序 double s=point[0].y; //區(qū)間右端點(diǎn) for(int i=1;i s) //如果兩個(gè)區(qū)間沒有重合,增加雷達(dá)數(shù)目并更新右端點(diǎn) { counting++; s=point[i].y; } else if(point[i].y
7.銷售比賽
在學(xué)校OJ上做的一道比較好的題,這里碼一下。假設(shè)有偶數(shù)天,要求每天必須買一件物品或者賣一件物品,只能選擇一種操作并且不能不選,開始手上沒有這種物品。現(xiàn)在給你每天的物品價(jià)格表,要求計(jì)算最大收益。首先要明白,第一天必須買,最后一天必須賣,并且最后手上沒有物品。那么除了第一天和最后一天之外我們每次取兩天,小的買大的賣,并且把賣的價(jià)格放進(jìn)一個(gè)最小堆。如果買的價(jià)格比堆頂還大,就交換。這樣我們保證了賣的價(jià)格總是大于買的價(jià)格,一定能取得最大收益。
C語言知識匯總#include#include #include #include #include #include #include using namespace std; long long int price[100010],t,n,res; int main() { ios::sync_with_stdio(false); cin>>t; while(t--) { cin>>n; priority_queue , greater > q; res=0; for(int i=1;i<=n;i++) { cin>>price[i]; } res-=price[1]; res+=price[n]; for(int i=2;i<=n-1;i=i+2) { long long int buy=min(price[i],price[i+1]); long long int sell=max(price[i],price[i+1]); if(!q.empty()) { if(buy>q.top()) { res=res-2*q.top()+buy+sell; q.pop(); q.push(buy); q.push(sell); } else { res=res-buy+sell; q.push(sell); } } else { res=res-buy+sell; q.push(sell); } } cout<
下面我們結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的知識講解幾個(gè)例子。
8.Huffman編碼
這同樣是《算法導(dǎo)論》上的例子。Huffman編碼是廣泛用于數(shù)據(jù)文件壓縮的十分有效的編碼方法。我們可以有多種方式表示文件中的信息,如果用01串表示字符,采用定長編碼表示,則需要3位表示一個(gè)字符,整個(gè)文件編碼需要300000位;采用變長編碼表示,給頻率高的字符較短的編碼,頻率低的字符較長的編碼,達(dá)到整體編碼減少的目的,則整個(gè)文件編碼需要(45×1+13×3+12×3+16×3+9×4+5×4)×1000=224000位,由此可見,變長碼比定長碼方案好,總碼長減小約25%。
??
對每一個(gè)字符規(guī)定一個(gè)01串作為其代碼,并要求任一字符的代碼都不是其他字符代碼的前綴,這種編碼稱為前綴碼。可能無前綴碼是一個(gè)更好的名字,但是前綴碼是一致認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語。編碼的前綴性質(zhì)可以使譯碼非常簡單:例如001011101可以唯一的分解為0,0,101,1101,因而其譯碼為aabe。譯碼過程需要方便的取出編碼的前綴,為此可以用二叉樹作為前綴碼的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):樹葉表示給定字符;從樹根到樹葉的路徑當(dāng)作該字符的前綴碼;代碼中每一位的0或1分別作為指示某節(jié)點(diǎn)到左兒子或右兒子的路標(biāo)。
?
從上圖可以看出,最優(yōu)前綴編碼碼的二叉樹總是一棵完全二叉樹,而定長編碼的二叉樹不是一棵完全二叉樹。給定編碼字符集C及頻率分布f,C的一個(gè)前綴碼編碼方案對應(yīng)于一棵二叉樹T。字符c在樹T中的深度記為dT(c),dT(c)也是字符c的前綴碼長。則平均碼長定義為:
使平均碼長達(dá)到最小的前綴碼編碼方案稱為C的最優(yōu)前綴碼。??? ?
Huffman編碼的構(gòu)造方法:先合并最小頻率的2個(gè)字符對應(yīng)的子樹,計(jì)算合并后的子樹的頻率;重新排序各個(gè)子樹;對上述排序后的子樹序列進(jìn)行合并;重復(fù)上述過程,將全部結(jié)點(diǎn)合并成1棵完整的二叉樹;對二叉樹中的邊賦予0、1,得到各字符的變長編碼。
?
POJ3253一道就是利用這一思想的典型例題。題目大意是有把一塊無限長的木板鋸成幾塊給定長度的小木板,每次鋸都需要一定費(fèi)用,費(fèi)用就是當(dāng)前鋸的木板的長度。給定各個(gè)要求的小木板的長度以及小木板的個(gè)數(shù),求最小的費(fèi)用。以要求3塊長度分別為5,8,5的木板為例:先從無限長的木板上鋸下長度為21的木板,花費(fèi)21;再從長度為21的木板上鋸下長度為5的木板,花費(fèi)5;再從長度為16的木板上鋸下長度為8的木板,花費(fèi)8;總花費(fèi)=21+5+8=34。利用Huffman思想,要使總費(fèi)用最小,那么每次只選取最小長度的兩塊木板相加,再把這些和累加到總費(fèi)用中即可。為了提高效率,使用優(yōu)先隊(duì)列優(yōu)化,并且還要注意使用long long int保存結(jié)果。
AC代碼:
?#include#include #include using namespace std; int main() { long long int sum; int i,n,t,a,b; while(~scanf("%d",&n)) { priority_queue ,greater >q; for(i=0;i 1) { a=q.top(); q.pop(); b=q.top(); q.pop(); t=a+b; sum+=t; q.push(t); } printf("%lld ",sum); } }
9.Dijkstra算法
Dijkstra算法是由E.W.Dijkstra于1959年提出,是目前公認(rèn)的最好的求解最短路徑的方法,使用的條件是圖中不能存在負(fù)邊。算法解決的是單個(gè)源點(diǎn)到其他頂點(diǎn)的最短路徑問題,其主要特點(diǎn)是每次迭代時(shí)選擇的下一個(gè)頂點(diǎn)是標(biāo)記點(diǎn)之外距離源點(diǎn)最近的頂點(diǎn),簡單的說就是bfs+貪心算法的思想。
?#include#include #define INF 1000 #define MAX_V 100 using namespace std; int main() { int V,E; int i,j,m,n; int cost[MAX_V][MAX_V]; int d[MAX_V]; bool used[MAX_V]; cin>>V>>E; fill(d,d+V+1,INF); fill(used,used+V,false); for(i=0;i >i>>j>>cost[i][j]; cost[j][i]=cost[i][j]; } cin>>n; d[n]=0; //源點(diǎn) while(true) { int v=V; for(m=0;m
10.最小生成樹算法
設(shè)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)表示為無向連通帶權(quán)圖G =(V, E) , E中每條邊(v,w)的權(quán)為c[v][w]。如果G的子圖G’是一棵包含G的所有頂點(diǎn)的樹,則稱G’為G的生成樹。生成樹的代價(jià)是指生成樹上各邊權(quán)的總和,在G的所有生成樹中,耗費(fèi)最小的生成樹稱為G的最小生成樹。例如在設(shè)計(jì)通信網(wǎng)絡(luò)時(shí),用圖的頂點(diǎn)表示城市,用邊(v,w)的權(quán)c[v][w]表示建立城市v和城市w之間的通信線路所需的費(fèi)用,最小生成樹給出建立通信網(wǎng)絡(luò)的最經(jīng)濟(jì)方案。
??
構(gòu)造最小生成樹的Kruskal算法和Prim算法都利用了MST(最小生成樹)性質(zhì):設(shè)頂點(diǎn)集U是V的真子集(可以任意選取),如果(u,v)∈E為橫跨點(diǎn)集U和V—U的邊,即u∈U,v∈V- U,并且在所有這樣的邊中,(u,v)的權(quán)c[u][v]最小,則一定存在G的一棵最小生成樹,它以(u,v)為其中一條邊。
使用反證法可以很簡單的證明此性質(zhì)。假設(shè)對G的任意一個(gè)最小生成樹T,針對點(diǎn)集U和V—U,(u,v)∈E為橫跨這2個(gè)點(diǎn)集的最小權(quán)邊,T不包含該最小權(quán)邊,但T包括節(jié)點(diǎn)u和v。將添加到樹T中,樹T將變?yōu)楹芈返淖訄D,并且該回路上有一條不同于的邊,u’∈U,v’∈V-U。將刪去,得到另一個(gè)樹T’,即樹T’是通過將T中的邊替換為得到的。由于這2條邊的耗費(fèi)滿足c[u][v]≤c[u’][v’],故即T’耗費(fèi)≤T的耗費(fèi),這與T是任意最小生成樹的假設(shè)相矛盾,從而得證。
Prim算法每一步都選擇連接U和V-U的權(quán)值最小的邊加入生成樹。
?#include#include #define MAX_V 100 #define INF 1000 using namespace std; int main() { int V,E; int i,j,m,n; int cost[MAX_V][MAX_V]; int mincost[MAX_V]; bool used[MAX_V]; cin>>V>>E; fill(mincost,mincost+V+1,INF); fill(used,used+V,false); for(i=0;i >i>>j>>cost[i][j]; cost[j][i]=cost[i][j]; } mincost[0]=0; int res=0; while(true) { int v=V; for(m=0;m
Kruskal算法每一步直接將權(quán)值最小的不成環(huán)的邊加入生成樹,我們借助并查集這一數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以完美實(shí)現(xiàn)它。
?#include#include #define MAX_E 100 using namespace std; struct edge { int u,v,cost; }; int pre[MAX_E]; edge es[MAX_E]; int find(int x); void initvalue(int x); bool same(int x,int y); void unite(int x,int y); bool comp(const edge& e1,const edge& e2); int main() { int V,E; int i,j,m,n; cin>>V>>E; initvalue(V); for(i=0;i >es[i].u>>es[i].v>>es[i].cost; sort(es,es+E,comp); int res=0; for(i=0;i 審核編輯:湯梓紅
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